Des enjeux majeurs dans les matériaux pour structures aéronautiques actuelles et futures

Les matériaux et leurs procédés de mise en œuvre sont depuis toujours l’un des facteurs clés dans le développement des aéronefs et équipements aéronautiques. Ils ont largement contribué aux progrès considérables survenus dans le domaine de la fiabilité et des performances de ces structures, aussi bien en termes de résistance que de masse et durabilité. Des premiers engins volants à armatures en bois recouvertes de toile, propulsés par des hélices, elles aussi en bois, entraînées par des moteurs mettant en œuvre des alliages d’aluminium coulés, des aciers au carbone et des bronzes jusqu’aux avions les plus modernes intégrant matériaux composites à fibres de carbone, alliages d’aluminium corroyés et aciers très performants, alliages de titane à résistance spécifique élevée et superalliages base nickel permettant d’atteindre de très hautes températures, on peut mesurer le fantastique chemin parcouru en un siècle par les matériaux dont on a su repousser les limites d’utilisation. Cette marche en avant n’est aujourd’hui pas terminée, même si la voie parait maintenant plus étroite, surtout quand on intègre le volet économique aux considérations purement techniques.

La Commission « Matériaux » s’est donnée un objectif qui est de surveiller l’état de l’art des matériaux et procédés de mise en œuvre dans les composants aéronautiques et aussi d’anticiper leurs perspectives d’évolution à court voire moyen terme. Dans cet esprit, des journées thématiques spécifiques sont organisées sur site industriel  comprenant des exposés scientifiques sur une thématique choisie, assortis de débats et discussions, complétés par des visites d’équipements industriels. Les dernières journées ont traité des sujets très présents dans l’actualité : la forte croissance dans l’utilisation des composites à matrices polymères, l’avenir des alliages d’aluminium avec la mise au point de nouvelles nuances plus performantes, les progrès spectaculaires réalisés dans les aciers pour applications aéronautiques alors que ces matériaux font plus spontanément penser aux industries des transports terrestres et de l’Energie.

 

Le « boom » des composites à matrice polymère et fibres de carbone

Depuis la forte impulsion donnée par Boeing avec son nouvel avion 787 (« Dreamliner »), la part des composites dans les cellules s’est largement accrue au détriment des alliages d’aluminium, voire des aciers et alliages de titane. Airbus a suivi également ce chemin (voir fig."composites dans l'A380 et Plancher de l'A400M) même si les alliages d’aluminium demeurent incontournables dans certaines structures (Voir composites et alliages dans l'A350).

Dans le domaine des composites à matrice polymère, deux familles sont en concurrence. Les thermoplastiques ont une matrice dure à température ambiante, qui peut être ramollie plusieurs fois par chauffage. En revanche, les thermodurcissables sont polymérisés de façon irréversible. Les enjeux associés à l’une ou l’autre famille sont à caractère technique (les thermodurcissables sont irremplaçables sur les pièces structurales mais ne peuvent être assemblés que par collage alors que les thermoplastiques se prêtent au soudage), économique (les thermoplastiques sont plus rapides à mettre en œuvre et a priori suivant des procédés plus facilement automatisables) et même écologiques (les thermoplastiques sont potentiellement recyclables): c’est en fonction de ces critères que le concepteur et le producteur ont  à faire un choix.  Les procédés de fabrication (photo Hexcel) sont justement au cœur des préoccupations des industriels qui ont à en maîtriser la robustesse tout en augmentant les cadences de fabrication (d’où la recherche d’automatisation).

L’accroissement de l’utilisation de composites fait apparaître de nouveaux challenges aujourd’hui avec l’Eco-conception : développement de résines « vertes », utilisation de fibres naturelles végétales (chanvre, lin …), mise au point de procédés respectueux de l’Environnement et recyclage des composites.

 

La réponse des alliages d’aluminium : de nouvelles nuances plus performantes

Comme il vient d’être vu, le concepteur doit choisir entre composite thermodurcissable ou thermoplastique, mais une question préalable doit être posée : composite ou alliage d’aluminium ? Pour répondre à la part croissante prise par composites dans les fuselages ce qui permet, en premier lieu, un gain de masse significatif, CONSTELLIUM a développé de nouvelles nuances d’alliages d’aluminium à densité abaissée par ajout de lithium, les alliages AirWareTM, en intégrant les leçons du passé et les inconvénients des alliages au lithium de 1ère génération des années 80 qui ont été très préjudiciables à leur développement (voir comparaison des alliages d'aluminium au lithium).

Ces nouvelles options matériaux vont nécessiter de repositionner le choix entre composite et alliage d’aluminium AirWareTM . Selon le type d’application, 3 schémas sont possibles :

  • Remplacement d’une pièce en alliage d’aluminium « classique » à même géométrie: solution court terme simple mais gain en masse modéré simplement dû à la plus faible densité (4%),
  • Re-dimensionnement du composant pour intégrer le meilleur compromis des propriétés intrinsèques des alliages AirWareTM et leur densité à solution moyen terme plus coûteuse mais gain en masse plus conséquent (10%). Solution potentiellement intéressante pour un nouvel avion dérivé d’un modèle en service,
  • Re-conception complète du composant pour intégrer en plus les capacités améliorées des alliages AirWareTM en termes de fabricabilité (assemblage, possibilité de formes plus complexes): solution long terme encore plus couteuse, nécessitant des validations industrielles mais gain de masse important (20%) à mettre en balance avec le choix d’une solution composite. Solution pertinente pour un nouveau modèle d’avion.

Quel scénario peut-on imaginer pour le futur? Les arguments en faveur du retour des alliages d’aluminium  dans les structures en composites ou de leur choix dans les nouveaux projets ne manquent pas: propriétés intrinsèques favorables (conductivité électrique, tolérance au dommage, aptitude à  plastifier, assemblage par soudage en particulier en friction malaxage, bonne connaissance du comportement mécanique des alliages en service, densité diminuée par addition de Li ou Sc, ce qui est par contre défavorable pour le coût), réparabilité et recyclage, capacités de production industrielle localisées dans le monde entier. En regard, les composites à matrice polymère offrent toujours une densité plus basse, une meilleure tenue à la corrosion et à la fatigue, sources majeures de coûts de maintenance élevés dans les cellules, même si les nuances AirWareTM apportent une amélioration significative sur ce point. Le niveau de robustesse industrielle sera certainement un élément déterminant dans le choix : des progrès restent à accomplir pour les composites mais les nouveaux alliages d’aluminium à très haute résistance seront probablement plus sensibles aux aléas de fabrication et vont donc aussi nécessiter de bien définir les spécifications et gammes de procédés.

En final, le coût global de possession qui intègre tous ces aspects aussi bien techniques qu’économiques restera sans doute le critère prépondérant dans le choix des solutions.

 

Les aciers pour l’Aéronautique : place à l’innovation  

Les aciers ont une image « grand public » réductrice associée à leur utilisation diversifiée dans des produits  de large distribution ne nécessitant pas des performances de très haut niveau : construction métallique, automobile, chemin de fer…Pour les applications aéronautiques, les aciers ont fait l’objet d’améliorations et d’optimisations remarquables au cours de la dernière décennie et se positionnent indiscutablement parmi les matériaux qu’on désigne par le label « High Tech » au même titre que certains alliages d’aluminium, de titane ou de nickel sans même parler des composites. Les progrès dans  ces matériaux ont surtout été possibles grâce à une connaissance encore approfondie  jusqu’à un niveau extrêmement fin de la métallurgie des alliages ferreux, à la modélisation physico-chimique associée et aux moyens de mise en œuvre industrielle toujours plus précis permettant de contrôler composition chimique, microstructures et par là même propriétés d’emploi.

Quelques exemples illustrent les capacités de ces aciers réellement innovants : Le Rail de volet de Boeing747-8 en inox MLX17, Train d‘atterrissage avec axes en inox MLX17. Projet de faire les  tiges coulissantes en inox MLX19.

Dans les transmissions de puissance des hélicoptères, les ensembles mécaniques des équipementiers, les rotules, engrenages et roulements, une gamme très large de nouvelles nuances et de nouveaux traitements de surface ouvre un potentiel de gains de masse et de réduction des coûts de maintenance considérable, dont l’exploitation est loin d’être terminée.

Conclusion

Les matériaux mis en œuvre dans l’industrie Aéronautique sont en constante amélioration  en termes de performances (résistance mécanique, capacité en température, faible densité), maîtrise des procédés et réduction des coûts. De nouveaux outils pour la conception de matériaux innovants sont maintenant de plus en plus disponibles ce qui laisse entrevoir des progrès encore significatifs pour atteindre des spécifications objectifs  qu’on n’aurait pas même imaginées il y a vingt ans : les matériaux n’ont pas fini de nous étonner …